玻璃及其层合材料表面与界面性能评价技术研究

论文摘要

在玻璃及其层合材料的性能评价领域,常常会遇到常规实验技术和仪器都难以实现的问题,如玻璃材料的残余应力及其均匀性评价、钢化玻璃的自爆风险、表面缺陷的损伤演变等。因此探索新的评价技术和测试仪器是国内外材料科学家和力学工作者的紧迫而重要的任务。也是保障脆性材料工程应用的关键。本论文围绕玻璃和玻璃复合材料的性能评价和仪器研发开展一些工作。首先基于模块化设计思想,开发设计了脆性材料表面性能试验仪,其主要包括加载模块、支撑平台、控制模块、软件模块和功能模块等模块,利用模块之间的不同配合实现立式、卧式、现场吸盘、局部加载四种试验模式,可以满足不同的试验需求;试验仪具有测试脆性材料常规力学性能的功能外,还可以配合声发射模块捕捉玻璃材料局部强度,对玻璃构件进行强度保证试验;提高玻璃构件使用的安全可靠性。同时为了得到玻璃材料与不同摩擦副的摩擦系数,开发了与表面试验仪配套摩擦磨损测试装置及其实验软件。利用球压法非破坏性地测试玻璃和钢化玻璃的局部强度和残余应力,并利用声发射压头确定裂纹起始的临界载荷。实现了强度的非破坏性测试;采用“十字交叉法”实验装置对层合材料和夹层玻璃的界面拉伸和界面剪切强度进行评价分析,证明这是一种简便精确的界面强度测试方法。以该测试装置立式工作模式作为工作平台,考察了不同载荷下钠钙硅玻璃与45钢对磨时的摩擦磨损性能,并利用双环实验测试了不同加载时间的钠钙硅玻璃残余强度,探讨了材料的磨损机理。磨损率随着载荷的增加出现波动,当载荷低于10N时,摩擦系数随载荷增加而明显增大,而当载荷超过10N时,摩擦系数随载荷增加而明显降低,在较低载荷下,钠钙硅玻璃的磨损失效主要源于轻微点蚀,在较高载荷下,其磨损失效主要源于表层塑性变形。通过分析脆性材料裂纹扩展的均强度准则和颗粒周边应力分布,证明了玻璃的裂纹扩展受应力作用的空间和时间的影响,即裂纹应力峰值随应力梯度增加而增加,同时也随应力作用的时间减小而增加。并由此分析了引起钢化玻璃自爆的杂质的临界尺寸约为0.2mm。研究表明,玻璃表面钢化应力越大,强度整体越高,但是同时自爆概率也越大。通过有限元分析方法与三点弯曲、球-环弯曲方法研究了牙用玻璃-氧化铝复合材料的残余应力与破坏机制。在多功能材料表面试验仪上用小双层盘状样品进行了轴对称的测试。结果表明层间的热膨胀系数差异导致了其间的残余应力,并且应力的分布与厚度比例和温度差有关。结合国家863项目和重大国际合作项目,完成多台实验仪器的研发,主要创新点是模块化、多功能、和智能化,并将声发射技术、位移敏感压痕技术、图像监测和常规万能材料试验机的基本功能结合为一体。实现了玻璃及其复合材料的各种表面与界面性能的简单方便检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的依据与研究目的
• 1.2 国内外研究现状及尚未解决的问题
• 1.2.1 压痕评价技术的进展
• 1.2.2 玻璃及其层合材料的评价技术
• 1.2.3 玻璃及其层合材料的结构应用
• 1.2.4 玻璃构件的损伤容限
• 1.2.5 医用玻璃-陶瓷材料的性能评价
• 1.3 本文研究目标、方法和内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 材料表面与界面试验仪的设计
• 2.1 引言
• 2.2 整体设计
• 2.3 支撑平台与加载模块的设计
• 2.4 控制模块与软件模块的设计
• 2.5 功能模块的设计
• 2.5.1 十字相交法夹具的设计
• 2.5.2 位移敏感压痕
• 2.5.3 声发射传感器
• 2.5.4 摩擦磨损装置与二维传感器
• 2.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 玻璃性能与可靠性评价
• 3.1 普通玻璃及钢化玻璃的无损强度保证实验
• 3.1.1 裂纹扩展在线观测实验
• 3.1.2 局部强度的测定
• 3.1.3 强度保证实验
• 3.2 玻璃摩擦磨损性能
• 3.2.1 试验
• 3.2.2 数据处理与结果分析
• 3.3 层合玻璃材料的接触损伤和界面性能
• 3.3.1 十字交叉法的原理
• 3.3.2 实验与讨论
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 裂纹扩展的空间与时间效应与失效预测
• 4.1 引言
• 4.2 玻璃的内应力分析
• 4.3 玻璃破坏的空间效应和临界颗粒尺寸
• 4.4 断裂与强度的时间效应
• 4.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 牙用层合材料的接触损伤和界面性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验与计算
• 5.2.1 接触损伤与损伤容限研究
• 5.2.2 残余压痕实验
• 5.3 残余应力与可靠性
• 5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 结论
• 攻读博士学位期间的科研成果
• 致谢